Главная » Дизайн интерьера » Расчет температуры наружной поверхности обмуровки котла. Зависимость тепловых потерь от толщины слоя теплоизоляции

Расчет температуры наружной поверхности обмуровки котла. Зависимость тепловых потерь от толщины слоя теплоизоляции

В котлах, как и других отопительных установках, используется не все тепло, которое выделяется при сгорании топлива. Довольно большая часть тепла уходит вместе с продуктами горения в атмосферу, часть теряется через корпус котла и небольшая часть теряется из-за химического или механического недожога. Под механическим недожогом понимаются потери тепла из-за провала или уноса зольных элементов с несгоревшими частицами.

Тепловой баланс котла — это распределение тепла, которое выделяется при сжигании топлива, на полезное тепло, используемое по назначению, и на потери тепла, которые происходят при работе теплового оборудования.

Схема основных источников теплопотерь.

В качестве эталонной величины прихода тепла принимают ту величину, которая могла выделиться при низшей теплоте сгорания всего топлива.

Если в котле используется твердое или жидкое топливо, то тепловой баланс составляют в килоджоулях относительно каждого килограмма израсходованного топлива, а при использовании газа — относительно каждого кубического метра. И в том, и в другом случае тепловой баланс может быть выражен в процентном отношении.
Уравнение теплового баланса
Уравнение теплового баланса котла при сжигании газа можно выразить следующей формулой:

Параметры оптимальной нагрузки обеспечивают высокую производительность отопительной системы.

QT=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6;
где QT — общее количество термического тепла, которое поступило в топку котла;
Q1 — полезное тепло, которое используется для нагрева теплоносителя или получения пара;
Q2 — потери тепла, которое уходит вместе с продуктами горения в атмосферу;
Q3 — потери тепла, связанные с неполным химическим сгоранием;
Q4 — потери тепла из-за механического недожога;
Q5 — потери тепла через стенки котла и труб;
Q6 — потери тепла из-за удаления золы и шлака из топки.

Как видно из уравнения теплового баланса, при сжигании газообразного или жидкого топлива отсутствуют величины Q4 и Q6, которые характерны только для твердого топлива.

Если же тепловой баланс выразить в процентах от общей теплоты (QT=100%), то данное уравнение принимает вид:

100=q1+q2+q3+q4+q5+q6.

Если разделить каждый член уравнения теплового баланса из левой и правой части на QT и умножить его на 100, то получится тепловой баланс в процентах от общего поступившего количества тепла:

q1=Q1*100/QT;
q2=Q2*100/QT и так далее.

Если в котле использовано жидкое или газообразное топливо, то потери q4 и q6 отсутствуют, уравнение теплового баланса котла в процентах принимает вид:

100=q1+q2+q3+q5.

Следует рассмотреть каждый вид тепла и уравнения подробнее.

Тепло, которое было использовано по назначению (q1)

Схема принципа работы стационарного теплогенератора.

Теплом, которое используется для прямого назначения, считается то, которое тратится на нагрев теплоносителя, либо получение пара с заданным давлением и температурой, которая считается от температуры поступившей в экономайзер котла воды. Наличие экономайзера значительно увеличивает величину полезного тепла, так как позволяет в большей степени использовать тепло, которое содержится в продуктах горения.

При работе котла увеличивается упругость и давление пара внутри него. От этого процесса зависит и температура кипения воды. Если в обычных условиях температура кипения воды равна 100°С, то при повышении давления пара этот показатель увеличивается. При этом пар, который находится в одном котле вместе с кипящей водой, называют насыщенным, а температура кипения воды при данном давлении насыщенного пара называется температурой насыщения.

Если же в паре отсутствуют капельки воды, то он называется сухим насыщенным паром. Массовая доля сухого насыщенного пара во влажном паре составляет степень сухости пара, выраженную в процентах. В паровых котлах влажность пара колеблется от 0 до 0,1%. Если же влажность превышает данные показатели, котел работает не в оптимальном режиме.

Полезное тепло, которое расходуется на нагрев 1 л воды от нулевой температуры до температуры кипения при постоянном давлении, называется энтальпией жидкости. Тепло, расходуемое на перевод 1 л кипящей жидкости в парообразное состояние, называется скрытой теплотой парообразования. Сумма этих двух показателей составляет общее теплосодержание насыщенного пара.

Потери тепла с продуктами горения, уходящими в атмосферу (q2)
Данный тип потерь в процентном отношении показывает разность энтальпии уходящих газов и холодного воздуха, поступающего в котел. Формулы определения этих потерь отличаются при использовании разных типов топливных веществ.

Сжигание мазута приводит к потерям тепла из-за химического недожога.

При использовании твердого топлива потери q2 составляют:

q2=(Iг-αг*Iв)(100-q4)/QT;
где Iг — энтальпия уходящих в атмосферу газов (кДж/кг), αг — коэффициент избытка воздуха, Iв — энтальпия воздуха, необходимого для горения, при температуре его поступления в котел (кДж/кг).

Показатель q4 вводится в формулу потому, что должно учитываться тепло, выделяемое при физическом сжигании 1 кг топлива, а не для 1 кг топлива, поступившего в топку.

При использовании газообразного или жидкого топлива эта же формула имеет вид:

q2=((Iг-αг*Iв)/QT)*100%.

Потери тепла с уходящими газами зависят от состояния самого отопительного котла и режима работы. К примеру, при ручной загрузке топлива в топку потери тепла этого типа значительно увеличиваются из-за периодического притока свежего воздуха.

Потери тепловой энергии с уходящими в атмосферу дымовыми газами увеличиваются при увеличении их температуры и количества расходуемого воздуха. К примеру, температура уходящих в атмосферу газов при отсутствии экономайзера и воздухоподогревателя составляет 250-350°С, а при их присутствии — всего 120-160°С, что в несколько раз повышает величину полезно используемого тепла.

Схема обвязки котла.

С другой стороны, недостаточная температура уходящих продуктов горения может привести к образованию конденсата водяных паров на поверхностях нагрева, что также влияет на образование ледяных наростов на дымовых трубах в зимнее время.

Количество расходуемого воздуха зависит от типа горелки и режима работы. Если оно увеличено по сравнению с оптимальным значением, то это приводит к высокому содержанию воздуха в уходящих газах, который дополнительно уносит часть тепла. Это неизбежный процесс, который нельзя прекратить, но можно довести до минимальных значений. В современных реалиях коэффициент расхода воздуха не должен превышать 1,08 для горелок с полной инжекцией, 0,6 — для горелок с неполной инжекцией воздуха, 1,1 — для горелок с принудительной подачей и смешением воздуха и 1,15 — для диффузионных горелок с внешним смешением. К увеличению потерь тепла с уходящим воздухом приводит наличие дополнительных подсосов воздуха в топке и трубах котла. Поддержание расхода воздуха на оптимальном уровне позволяет снизить величину q2 до минимума.

Чтобы минимизировать значение q2, необходимо своевременно чистить внешнюю и внутреннюю поверхность котла, следить за отсутствием накипи, которая снижает передачу тепла от сжигаемого топлива к теплоносителю, соблюдать требования к воде, используемой в котле, следить за отсутствием повреждений в котле и соединениях труб, чтобы не допустить притока воздуха. Использование дополнительных электрических поверхностей нагрева в газовом тракте расходует электроэнергию. Однако экономия от оптимального расхода топлива будет гораздо выше стоимости потребляемой электроэнергии.

Потери тепла от химического недожога топлива (q3)

Данный вид схемы обеспечивает защиту системы отопления от перегрева.

Главным показателем неполного химического сгорания топлива является наличие в отработанных газах окиси углерода (при использовании твердого топлива) или окиси углерода и метана (при сжигании газообразного топлива). Потери тепла от химического недожога равны тому теплу, которое могло бы выделиться при сжигании этих остатков.

Неполное сгорание топлива зависит от недостатка воздуха, плохого смесеобразования топлива с воздухом, снижения температуры внутри котла или при соприкосновении пламени горящего топлива со стенками котла. Однако излишнее повышение количества поступающего кислорода не только не гарантирует полное сжигание топлива, но может нарушить работу котла.

Оптимальное содержание окиси углерода на выходе из топки при температуре 1400°С должно составлять не более 0,05% (в пересчете на сухие газы). При таких значения теплопотери от недожога составят от 3 до 7% в зависимости от топлива. Недостаток кислорода может довести это значение до 25%.

Но необходимо добиваться таких условий, чтобы химический недожог топлива отсутствовал. Необходимо обеспечивать оптимальное поступление воздуха в топку, поддерживать постоянную температуру внутри котла, добиться тщательного перемешивания топливной смеси с воздухом. Наиболее экономичная работа котла достигается при содержании углекислого газа в продуктах горения, уходящих в атмосферу, на уровне 13-15% в зависимости от вида топлива. При избытке поступления воздуха содержание двуокиси углерода в уходящем дыме может снизиться на 3-5%, однако потери тепла при этом увеличатся. При нормальной работе отопительного оборудования потери q3 равняются 0-0,5% для пылеугольных и 1% для слоевых топок.

Потери тепла от физического недожога (q4)
Данный вид потерь происходит из-за того, что несгоревшие частицы топлива проваливаются через колосники в зольник или уносятся вместе с продуктами горения через трубу в атмосферу. Потеря тепла от физического недожога напрямую зависит от конструкции котла, расположения и формы колосников, силы тяги, состояния топлива и его спекаемости.

Наиболее значительны потери от механического недожога при слоевом сжигании твердого топлива и излишне сильной тяге. В таком случае большое количество мелких несгоревших частиц уносится вместе с дымом. Особенно хорошо это проявляется при использовании неоднородного топлива, когда в нем чередуются мелкие и крупные куски топлива. Горение каждого слоя получается неоднородным, так как мелкие куски сгорают быстрее и уносятся с дымом. В образовавшиеся промежутки поступает воздух, который охлаждает большие куски топлива. Они при этом покрываются шлаковой коркой и не выгорают полностью.

Потери тепла при механическом недожоге составляют обычно около 1% для пылеугольных топок и до 7,5% для слоевых топок.

Потери тепла непосредственно через стенки котла (q5)
Данный вид потерь зависит от формы и конструкции котла, толщины и качества обмуровки как котла, так и дымоотводных труб, наличия теплоизолирующего экрана. Кроме того, большое влияние на потери оказывает конструкция самой топки, а также наличие дополнительных поверхностей нагрева и электрических нагревателей в дымовом тракте. Эти потери тепла увеличиваются при наличии сквозняков в помещении, где стоит отопительное оборудование, а также от количества и длительности открытия топки и лючков системы. Снижение количества потерь зависит от правильной обмуровки котла и наличия экономайзера. Благоприятно на снижении потерь тепла сказывается теплоизоляция труб, по которым отработанные газы выводятся в атмосферу.

Потери тепла из-за удаления золы и шлака (q6)
Данный тип потерь характерен только для твердого топлива в кусковом и пылевидном состоянии. При его недожоге частицы неостывшего топлива проваливаются в зольник, откуда удаляются, унося с собой часть тепла. Эти потери зависят от зольности топлива и системы шлакоудаления.

Тепловой баланс котла — это величина, которая показывает оптимальность и экономичность работы вашего котла. По величине теплового баланса можно определиться с мерами, которые помогут экономить сжигаемое топливо и увеличить эффективность отопительного оборудования.

В процессе модернизации (реконструкции) при замене в обмуровке котлов одних материалов другими необходимо проверять, как отразится замена на теплопотерях (q 2) через неэкранированные ограждающие конструкции и окажутся ли допустимыми температуры для применяемых материалов. Теплопотери через обмуровку (q 2), температура наружной поверхности и температура в плоскости соприкосновения слоев обмуровки могут быть определены по диаграмме, приведенной на рис. Пр-2 для стационарного потока тепла. Диаграмма дает величину потерь тепла через обмуровку и температуру наружной поверхности неэкранированной обмуровки в зависимости от термического сопротивления обмуровки.

где: S 1 , S 2 , S 3 – толщины отдельных слоев обмуровки;

λ 1 , λ 2 , λ 3 – теплопроводность материала этих слоев при их средней температуре, которая

принимается по справочным данным раздела 10 с коэффициентом 1,2,

газопроницаемость кладки.

Температуру в плоскости соприкосновения слоев определяют по формуле:

где: t 1 – температура поверхности слоя с более высокой температурой;

t 2 – температура второй поверхности в плоскости соприкосновения слоев;

Соотношение толщины соответствующего слоя в м к его теплопроводности в Вт/(м⋅К) или

ккал/(м⋅час⋅град).

Пример. Определить потерю тепла через 1м 2 неэкранированной обмуровки толщиной: шамот-легковес γ = 1000 кг/м 3 – 280 мм и минеральная вата γ = 150 кг/м 3 – 50 мм при температуре внутренней поверхности t 1 =1000 0 С.

Задаемся температурой в плоскости соприкосновения шамотного и минераловатного слоев t 2 =110 0 С и температурой наружной поверхности стены t 3 =70 0 C.

Средняя температура шамотного слоя:

Средняя температура минераловатного слоя:

Коэффициент теплопроводности шамотного слоя с учетом коэффициента газопроницаемости при t ср.ш:

λ ш.р. =λ ш.555 ⋅ k газ.пр. =0,5⋅1,2=0,6 Вт/(м⋅К) или 0,43⋅1,2=0,516 ккал/(м⋅ч⋅гр),

λ ш – см. номограмму на рис. 10.5.

Коэффициент теплопроводности минераловатного слоя при t ср.м.в. :

λ м.в.р = λ м.в.90 = 0,128 Вт/(м⋅К) или 0,11 ккал/(м⋅ч⋅гр),

λ м.в. – см. номограмму на рис. 10.8.

Термическое сопротивление обмуровки:

(м 2 ⋅К)/Вт или

(м 2 ⋅ч⋅гр)/ккал.

По номограмме на рис. Пр-2 температура наружной стенки при R=1,02(м 2 ⋅К)/Вт или 1,19(м 2 ⋅ч⋅гр)/ккал и t 1 =1000 0 С составит t 3 =85 0 С и поток тепла через обмуровку q 2 = 890 Вт/м 2 или 765 ккал/м 2 ⋅ч. Температура в плоскости соприкосновения слоев будет равна:

Полученное значение t 2 существенно не соответствует (не близко) принятому. Задаемся температурой в плоскости соприкосновения шамотного и минераловатного слоев

t 2 =440 0 С, температурой наружной поверхности стенки t 3 =88 0 С и производим перерасчет. ;

λ ш.р. =λ ш.720 ⋅ k газ.пр. =0,547⋅1,2=0,656 Вт/(м⋅К) или 0,47⋅1,2=0,564 ккал/(м⋅ч⋅гр);

λ м.в.р = λ м.в.264 = 0,14 Вт/(м⋅К) или 0,12 ккал/(м⋅ч⋅гр);

(м 2 ⋅К)/Вт или

(м 2 ⋅ч⋅гр)/ккал.

По номограмме на рис. Пр-2 температура наружной стены при R=0,936 (м 2 ⋅К)/Вт или 1,09 (м 2 ⋅ч⋅гр)/ккал и t 1 =1000 0 С составит t 3 =90 0 С и q 2 =965 Вт/м 2 или 830 ккал/(м 2 ⋅ч) (потери тепла через неэкранированную обмуровку). Уточняем температуру в плоскости соприкосновения слоев:

Полученные результаты близко подходят к принятым величинам, следовательно, расчет правилен.

Максимальная температура применения минеральной ваты составляет 600 0 С (см. табл. 10.46), т.е. использование этих материалов при обмуровке котла в данном случае целесообразно.

Температура наружной поверхности обмуровки t 3 =90 0 С не удовлетворяет требованиям Санитарных Норм. Следовательно, термическое сопротивление обмуровки – R обм должно быть увеличено до ~4 (м 2 ·ч·гр)/ккал (см. номограмму на рис. Пр-2). Термическое сопротивление может быть увеличено путем устройства дополнительного слоя из теплоизоляционного материала с t max применения не выше 110 0 С.

Введение

При расчетах теплового баланса металлургических печей часто возникает задача определения тепловых потерь через печные заграждения. Минимизация тепловых потерь способствует экономии топлива и электроэнергии, снижает себестоимость продукции. Кроме того, для правильного выбора материалов при конструировании печи необходимо знать температурное поле в стенке, с целью соблюдения ограничений на рабочую температуру материалов. Поэтому при проектировании печи инженер должен просчитать несколько вариантов конструкции стенки и выбрать из них наилучший. В данной статье будет рассмотрена методика расчета тепловых потерь через плоскую многослойную стенку теплового агрегата, описано программное обеспечение для автоматизации данного расчета, а также проведен анализ зависимости тепловых потерь от различных факторов.

Теоретические основы

Печь – огражденное от окружающего пространства тепловое технологическое оборудование, в котором происходит генерация тепла из того или иного первичного вида энергии и передача тепла материалу, подвергаемому тепловой обработке в технологических целях (плавлению, нагреву, сушке, обжигу и т.д.). При этом часть выделяемой тепловой энергии расходуется на осуществление технологического процесса, а часть - бесполезно теряется, нагревая окружающую среду. Уменьшение тепловых потерь позволяет повысить эффективность работы печей, снизить потребление энергии.

Часть тепла в печах теряется путем передачи теплопроводностью через огнеупорную кладку. Теплопроводность – процесс переноса теплоты (внутренней энергии), происходящий при непосредственном соприкосновении тел (или частей тела) с различной температурой. Обмен энергией осуществляется микрочастицами, из которых состоят вещества: молекулами, атомами, свободными электронами. Плотность теплового потока теплопроводности зависит от температурного поля и коэффициента теплопроводности вещества.

Совокупность значений температуры для всех точек тела в данный момент времени называется температурным полем . При этом, если температура не изменяется во времени, поле считается стационарным, а если изменяется – нестационарным. Наиболее простым является случай одномерного стационарного температурного поля.

Теплота переносится теплопроводностью из более нагретых слоев тела к менее нагретым, т.е. в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переданной через какую-либо поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком Q. Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности, характеризует плотность теплового потока q. Согласно закону Фурье плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры:

q = -λ grad t (1.1)

где q – плотность теплового потока, Вт/м2
λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м*К)
grad t – градиент температуры, К/м

Множитель пропорциональности λ в уравнении (1.1) представляет собой коэффициент теплопроводности материала и характеризует способность его проводить теплоту. Наименьшие значения коэффициентов теплопроводности имеют газы, наибольшие – металлы. В конструкциях печей применяются материалы, имеющие относительно низкий коэффициент теплопроводности: огнеупорные и теплоизоляционные материалы.

Огнеупорными называют неметаллические материалы, предназначенные для использования в условиях высоких температур в тепловых агрегатах и имеющие огнеупорность не ниже 1580°С. Огнеупоры выполняют функцию удержания теплоты в ограниченном объеме рабочего пространства печи, в связи с чем они должны обладать низкой теплопроводностью и способностью выдерживать воздействие высоких температур. Многообразие условий службы обусловило необходимостью создания большого ассортимента огнеупоров с различными свойствами. Наиболее распространенные огнеупоры: шамот, динас, магнезит, хромомагнезит.

Для уменьшения теплового потока теплопроводности через кладку печей применяют теплоизоляционные материалы, т. е. материалы с низкой теплопроводностью. Примерами теплоизоляционных материалов являются асбест, диатомит, шлаковая вата, огнеупорные легковесы. При этом кладку выполняют из нескольких слоев: внутренние слои делают из материалов с высокой термической стойкостью (огнеупоры), а внешние слои – из менее стойких материалов, обладающих более низкой теплопроводностью (тепловая изоляция). При проектировании печи необходимо выбрать конструкцию стенок печи так, чтобы величина тепловых потерь была минимальна и были соблюдены ограничения по тепловой стойкости материалов.

Методика расчета

Математическая модель задачи строится на основе методики расчета потерь теплоты через ограждения тепловых установок, описанной в работе «Расчет тепловых потерь через печные ограждения» (В. Б. Кутьин, С. Н. Гущин, Б. А. Фетисов).

Суть расчета состоит в определении теплового потока через стенку при стационарном режиме с граничными условиями III рода. Принимается, что передача теплоты через стенку осуществляется теплопроводностью, а теплоотдача от наружной стенки окружающей среде осуществляется излучением и естественной конвекцией. При расчете учитывается зависимость коэффициента теплопроводности материала слоев от температуры.

Исходные данные для расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

Расчет осуществляется методом последовательных приближений. Первоначально задается произвольное температурное поле. Затем определяются тепловые сопротивления слоев по формуле:

Определяется коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности по формуле:

Рассчитывается общая плотность теплового потока по формуле:

Плотность теплового потока, передаваемого через стенку теплопроводностью, определяется по формуле:

Плотность теплового потока, отдаваемого внешней поверхностью в окружающую среду, определяется по формуле:

Уточненное температурное поле определяется по формуле:

Итерационный процесс продолжается, пока относительная погрешность не становится меньше заданного значения. В завершение вычисляется величина тепловых потерь в единицу времени:

Программное обеспечение для расчета тепловых потерь

Для автоматизации расчета тепловых потерь через плоскую многослойную стенку печи была разработана . Программа обладает удобным графическим интерфейсом, позволяющим интерактивно задать требуемую конструкцию огнеупорной стенки и сохранить ее данные в файле для последующего использования. Результаты расчетов представляются в виде таблиц, графиков и тепловых карт. Данные о коэффициентах теплопроводности материалов программа берет из базы данных, которая может пополнятся пользователем.

Исследование тепловых потерь

С помощью удобных средств графического интерфейса программы можно провести анализ влияния различных факторов на тепловые потери в агрегате.

Зависимость тепловых потерь от толщины слоя футеровки

Для исследования зависимости тепловых потерь от толщины слоя футеровки было подготовлено несколько вариантов исходных данных, отличающихся только толщиной слоя футеровки. Материал футеровки – высокоглиноземистый огнеупор, материал слоя теплоизоляции – шамот-легковес. Остальные параметры приведены в таблице 2.

Конструкция стенки для исследования

Таблица 2 – Вариант исходных данных

Исследование здесь и далее проводилось с помощью встроенной в программу возможность сравнения результатов расчета. Результаты сравнения представлены на рисунке 1. Видно, что тепловые потери уменьшаются при увеличении толщины футеровки, но незначительно.

Рисунок 1 – Зависимость тепловых потерь от толщины футеровки

Зависимость тепловых потерь от толщины слоя теплоизоляции

Для исследования зависимости тепловых потерь от толщины слоя теплоизоляции было подготовлено несколько вариантов исходных данных, отличающихся только толщиной слоя теплоизоляции. Конструкция стенки приведена на рисунке 2, прочие параметры такие же, как в предыдущем исследовании (таблица 2).

Рисунок 2 – Конструкция стенки для исследования

Результаты исследования представлены на рисунке 3. Видно, что тепловые потери резко уменьшаются при увеличении толщины слоя тепловой изоляции.

Рисунок 3 – Зависимость тепловых потерь от толщины теплоизоляции

Зависимость тепловых потерь от материала тепловой изоляции

Для исследования влияния материала тепловой изоляции рассмотрим несколько вариантов конструкции стенки, отличающихся только материалом тепловой изоляции. Конструкция стенки для исследования приведена на рисунке 4, а прочие параметры см. в таблице 2.

Рисунок 4 – Конструкция стенки для исследования

Результаты исследования представлены на рисунке 5. Из диаграммы можно сделать вывод, что тепловые потери могут значительно колебаться в зависимости от материала тепловой изоляции, поэтому правильный выбор последнего очень важен при проектировании печей. Из выбранных материалов наилучшими теплоизолирующими свойствами обладает минеральная вата.

Рисунок 5 – Зависимость тепловых потерь от материала тепловой изоляции

На рисунках 6, 7 показаны более подробные результаты для двух вариантов расчета. Видно, что при использовании более совершенной тепловой изоляции снижаются не только тепловые потери, но и температура внешней поверхности стенки, что улучшает условия работы обслуживающего персонала печи.

Рисунок 6 – Результаты расчета для одного варианта исходных данных

Рисунок 7 – Результаты расчета для второго варианта исходных данных

Зависимость тепловых потерь от степени черноты внешней поверхности стенки

В большинстве случаев внешняя поверхность стенки печи представлена кожухом из малоуглеродистой стали, с той или иной степенью коррозии. Влияние кожуха на передачу тепла теплопроводностью мало, но на передачу теплоты излучением можно воздействовать, применяя покрытия с разной степенью черноты. Для исследования этого влияния рассмотрим несколько вариантов исходных данных, отличающихся только степенью черноты внешней поверхности. Конструкция исследуемой стенки приведена на рисунке 8, прочие параметры см. в таблице 2.

Рисунок 8 – Конструкция стенки для исследования

На рисунке 9, а также в таблице 3 представлены результаты исследования. На легенде указан материал кожуха и в скобках – его степень черноты. Видно, что тепловые потери уменьшаются при снижении степени черноты внешней поверхности в незначительной степени. Однако, учитывая что затраты на покраску кожуха печи меньше, чем на введение дополнительной тепловой изоляции, покрытие кожуха светлой алюминиевой краской можно рекомендовать для снижения тепловых потерь.

Таблица 3 – Зависимость тепловых потерь от степени черноты внешней поверхности

Рисунок 9 – Зависимость тепловых потерь от степени черноты внешней поверхности

Отрицательный эффект тепловой изоляции

Рассмотрим влияние тепловой изоляции на температурное поле в стенке высокотемпературной печи. Для этого рассмотрим два варианта конструкции стенки. В первом стенка состоит из слоя магнезита, а во втором – из слоя магнезита и слоя шлаковой ваты в качестве тепловой изоляции. Температурные поля для этих случаев представлены на рисунках 10, 11.

Рисунок 10 – Температурное поле при отсутствии тепловой изоляции

Рисунок 11 – Температурное поле при наличии тепловой изоляции

При отсутствии тепловой изоляции температура в рабочем слое футеровки изменяется от 472 до 1675 градусов, а при наличии слоя тепловой изоляции – от 1519 до 1698. Отсюда следует, что введение тепловой изоляции приводит к повышению температуры в слое футеровки, что должно отрицательно повлиять на ее стойкость.

Отрицательное влияние тепловой изоляции на службу футеровки особенно проявляется для высокотемпературных печей: дуговых сталеплавильных, ферросплавных и т. п. В книге «Электротермические процессы и установки» (Алиферов А. И.) отмечается, что тепловая изоляция стен и сводов дуговых сталеплавильных печей (ДСП) не получила распространения. Обычно такая изоляция приводит к увеличению температур в рабочем слое футеровки и резкому падению ее стойкости, особенно на крупных ДСП. Потери из-за простоев ДСП на ремонт футеровки намного превышают экономию от снижения расхода электроэнергии за счет уменьшения теплового потока через стенку. Поэтому тепловая изоляция стен и сводов ДСП, как правило, является экономически невыгодной. (Это положение не распространяется на конструкцию подины ДСП, для которой применяется тепловая изоляция).

В связи с неудовлетворительной стойкостью огнеупоров на крупных мощных ДСП футеровку заменяют водоохлаждаемыми панелями. Несмотря на увеличение плотности теплового потока, снимаемого с водоохлаждаемых поверхностей, по сравнению с плотностью теплового потока через футерованные поверхности расход электроэнергии существенно увеличивается только на печах небольшой емкости. Применение водоохлаждаемых панелей позволяет повысить срок службы огнеупорной футеровки.

Выводы

На основании проведенного исследования можно сделать вывод, что основными мероприятиями по снижению тепловых потерь через кладку будут следующие:

Увеличение толщины слоя тепловой изоляции
- Применение теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью
- Окраска кожуха светлой алюминиевой краской (или покрытие другим материалом с низкой степенью черноты)

Для высокотемпературных печей вместо применения тепловой изоляции целесообразно использовать водоохлаждаемые панели корпуса, которые позволяют продлить срок службы футеровки и сэкономить на уменьшении простоев на ее ремонт.

Источники

1. Маркин В.П. Расчеты по теплообмену / В. П. Маркин, С. Н. Гущин, М. Д. Казяев. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1998. – 46 с.
2. Воронов Г. В. Огнеупорные материалы и изделия в промышленных печах и объектах вспомогательного назначения / Г. В. Воронов, В. А. Старцев. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. – 303 с.
3. Кутьин В.Б. Расчет тепловых потерь через печные ограждения / В. Б. Кутьин, С. Н. Гущин, Б. А. Фетисов. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1996. – 17с.
4. Огнеупорные материалы. Структура, свойства, испытания. Справочник / Й. Алленштейн и др.; под ред. Г. Роучка, Х. Вутнау. – М.: Интермет Инжиниринг, 2010. – 392 с.
5. Зобнин В. Ф., Теплотехнические расчеты металлургических печей / В. Ф. Зобнин, М. Д. Казяев, Б. И. Китаев и др. – М.: Металлургия, 1982. – 360 с.
6. Алиферов А. И. Электротермические процессы и установки: Учебное пособие / А. И. Алиферов и др.; под ред. В.Н. Тимофеева, Е.А. Головенко, Е.В. Кузнецова – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. – 360 с.

Б.Я. Каменецкий, ведущий научный сотрудник, ГНУ ВИЭСХ, г. Москва

В слоевых топках с циклической загрузкой топлива обмуровка кроме основной функции снижения потерь тепла играет также еще одну особую роль. В силу своей тепловой инерции обмуровка достаточно долгое время сохраняет свою температуру, что способствует прогреву и воспламенению фракций топлива. При загрузке свежей порции топливо закрывает почти всю поверхность слоя, вследствие чего температура поверхности слоя резко снижается, что видно из рис. 1. Температура газов в топке также снижается, и в этот интервал времени в системе топочного теплообмена температура поверхности обмуровки оказывается самой высокой. Излучение от поверхности обмуровки на слой в эти моменты способствует прогреву и верхнему зажиганию топлива .

С целью исследования тепловых режимов, определения тепловых потоков на внутренней стороне и потерь тепла проведены измерения температурных режимов топочных обмуровок. Работы осуществлялись на отопительном котле с ручной слоевой топкой, у которого обмуровка из шамотного кирпича толщиной 380 мм является одновременно постаментом для двух пакетов котельных секций. Высота постамента - 1,2 м, в том числе 0,5 м - над колосниковой решеткой.

Измерения температуры проводились с помощью зонда - трубки из кварцевого стекла диаметром 8,5 мм с ХА-термопарами, перемещаемой в сквозном отверстии боковой стены обмуровки. В котле сжигали каменный кузнецкий уголь марки 2СС, топочный цикл (время между соседними загрузками) составлял 10 мин.

Результаты измерений нестационарной температуры обмуровки при тепловой нагрузке решетки 0,55 МВт/м 2 (расход топлива - 72 кг/ч) представлены на рис. 2.

Температура на наружной поверхности обмуровки на высоте 0,4 м от уровня колосниковой решетки составила 60 О С, а на внутренней поверхности - 800 О С. По толщине кладки температура снижается к наружной поверхности непропорционально, что свидетельствует о снижении теплового потока через обмуровку в результате растечек (перетоков) тепла в вертикальном направлении. Растечки тепла возникают вследствие неравномерного прогрева обмуровки по высоте: температура кирпича в зольнике ниже температуры колосников и составляет 60-70 О С, а на верхнем торце кладки, соприкасающемся с котельными секциями, - 80-100 О С.

На наружной поверхности обмуровки тепловой поток, рассчитанный как по условиям конвективной теплоотдачи при естественной конвекции воздуха q=α ек (t н -t в), так и по теплопроводности обмуровки q=α*dt/dx дает значение 0,5 кВт/м 2 , а на внутренней поверхности - q=2,7 кВт/м 2 . Тепло вые потери с боковой и нижней поверхности обмуровки составляют значительную величину - 4% от мощности котла 220 кВт даже при толщине обмуровки 380 мм.

Еще большей величины достигают потери тепла в окружающую среду при снижении толщины обмуровки. Например, в топке теплогенератора с шурующей планкой мощностью 2 МВт без тепловоспринимающих экранов неэкранированная кирпичная обмуровка высотой 2 м имеет толщину только 250 мм. Для обеспечения ее надежной работы пришлось увеличить избыток воздуха в топке до значения α=2,6. Тем не менее, температура внутренней поверхности обмуровки составила 1100 О С на уровне 1,8 м от колосниковой решетки и 900 О С на уровне 0,4 м (рис. 3). Средние тепловые потоки через обмуровку возросли до 2,2 кВт/м 2 на уровне 0,4 м, и до 2,6 кВт/м 2 на уровне 1,8 м. В этом случае различие температур по высоте обмуровки, достигает 200 О С на внутренней поверхности и снижается по толщине, что приводит к перетокам тепла от верхних слоев к нижним.

Интересные результаты зафиксированы при остановке этого теплогенератора. При прекращении подачи топлива и продолжающейся работе вентилятора тепловыделение в топке уменьшается, что приводит к быстрому охлаждению обмуровки с внутренней поверхности и монотонному снижению ее температуры (рис. 4). Через 25 мин тепловой поток, направленный из топки на поверхность обмуровки, снижается до 0 и затем меняет свое направление. При дальнейшем охлаждении топки и снижении температуры внутренней поверхности обмуровки возникает максимум в распределении температур по толщине обмуровки. Температура слоев внутри обмуровки даже повышается, и максимум температур перемещается внутрь. Причина такой деформации температурного поля обмуровки связана с более интенсивным охлаждением внутренней поверхности, особенно нижних слоев, приводящим к большим перетокам тепла от верхних центральных слоев. Через 45 мин они еще остаются нагретыми до 300 О С.

Выводы

1. В котлах со слоевыми топками тепловая инерционность обмуровки способствует прогреву и воспламенению загружаемого топлива.

2. Тепловые потери с боковой и нижней поверхности обмуровки (шамотный кирпич) составляют значительную величину - 4% от мощности котла 220 кВт даже при толщине обмуровки 380 мм.

3. Вследствие неравномерного прогрева обмуровки по высоте возникают растечки тепла. В случае прекращения подачи топлива при работающем вентиляторе это приводит к тому, что максимум температур перемещается внутрь обмуровки.